Esercitazioni e relazioni di laboratorio

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1 Esercitazioni e relazioni di laboratorio Questo documento descrive come svolgere le esercitazioni sperimentali di Elettronica e come stendere le relative relazioni per il modulo Elettronica Applicata e Misure. Obiettivi e procedure delle singole esercitazioni sono nelle Guide alle esercitazioni di laboratorio. Presentazione Le esercitazioni di laboratorio costituiscono parte integrante dei corsi di Elettronica e di Misure, e hanno come obiettivi principali: acquisire familiarità con la strumentazione elettronica di uso corrente; verificare la corrispondenza dei circuiti reali con quanto presentato nelle lezioni; preparare alla stesura di relazioni di attività sperimentali; abituare al lavoro di gruppo. La verifica di cui sopra va intesa in senso positivo e negativo: con le misure effettuate in laboratorio è possibile sia controllare che quanto si verifica in un circuito reale corrisponde a quanto presentato nella parte teorica delle lezioni, sia evidenziare i limiti dei modelli matematici e circuitali, e casi in cui le analisi semplificate effettuate nelle lezioni non sono valide. Ogni esercitazione comprende l'allestimento di un banco di misura, utilizzando circuiti premontati, misure sul circuito stesso, e stesura della relazione, con analisi critica dei risultati. Scopo delle esercitazioni è anche insegnare a stendere rapidamente relazioni sintetiche ma complete. I dati devono (ovviamente!) essere raccolti nel momento in cui viene eseguita l esperienza, ma buona parte della relazione può essere predisposta prima dell esperienza. Per avviare gradualmente alla stesura di relazioni complete nelle esercitazioni del primo corso di Elettronica (II anno) venivano forniti moduli in parte già predisposti, da completare con i risultati sperimentali. In questo corso sono disponibili la prima pagina (che può comunque essere modificata), e una bozza di indice per le parti successive. La parte restante deve essere preparato secondo le indicazioni di questa guida. L ingegnere lavora raramente da solo, ed è importante imparare come collaborare in modo efficace. Un ulteriore obbiettivo di queste esercitazioni è abituare al lavoro coordinato: l'esecuzione dell'esperienza e la stesura della relazione sono compiti collettivi di un gruppo di allievi. I punti proposti possono essere completati nel tempo assegnato solo suddividendo il lavoro tra i componenti del gruppo, e organizzandolo in modo opportuno. Fa parte di questa organizzazione la suddivisione dei diversi compiti: i principali sono l escuzione delle misure e la stesura della relazione. Tali compiti devono essere svolti a rotazione dai diversi membri del gruppo, indicando nella relazione il ruolo svolto. Queste note sono articolate nei punti: 1. Analisi degli obiettivi 2. Simulazione 3. Allestimento del banco di misura 4. Esecuzione delle misure 5. Analisi dei malfunzionamenti 6. Stesura della relazione 7. Eventuali esperienze dimostrative Le indicazioni di questo documento vanno integrate con le informazioni fornite di volta in volta per le singole esercitazioni, e con le norme generali di uso del laboratorio. EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 1 of 9

2 Analisi degli obiettivi Per ciascuna esercitazione vengono indicati nelle guide specifiche una serie di obiettivi. Prima di inziare il montaggio del banco e le misure è bene verificare che tali obiettivi siano ben recepiti, controllando che siano chiare le risposte a queste domande: - a quali parti di teoria si ricollega l esperimento? - quale comportamento (dell oggetto su cui viene eseguita la misura) si vuole verificare o mettere in luce? - quali sono le verifiche da eseguire per evidenziare tale comportamento? - quali sono i risultati attesi? - come potrebbero variare tali risultati in caso di guasto, malfunzionamento, errori? - come possiamo giudicare se la verifica ha avuto esito positivo o no? - come possiamo valutare se l obiettivo dell esercitazione sperimentale è stato raggiunto? Ogni esercitazione sperimentale va sviluppata secondo la sequenza: 1. lettura della guida e verifica della comprensione degli obiettivi; 2. a seconda di quanto richiesto, calcoli, simulazioni con PSPICE o altri programmi. Dato che il tempo disponibile in laboratorio è limitato, i punti 1) e 2) devono essere svolti prima dell ingresso in laboratorio (si tratta di homework). Ciascun gruppo deve arrivare in laboratorio con un piano di massima per lo svolgimento del lavoro e per l assegnazione dei vari compiti (misure, relazione, ), e i risultati di calcoli e simulazioni preparate in precedenza. 3. Verifica della disponibilità del materiale e della strumentazione necessaria (elenco fornito nella guida di laboratorio o nel manuale SelabRx - di ciascuna esercitazione); 4. Scelta degli strumenti da utilizzare (nei casi in cui vi sono diverse possibilità; ad esempio, per misurare l ampiezza di un segnale può essere usato l oscilloscopio o un voltmetro; in assenza di indicazioni nella guida occorre valutare quale è più adatto caso per caso); 5. Eventaule montaggio su basette senza saldature (descritte in altro documento), e allestimento del banco di misura (nella maggior parte dei casi la disposizione degli strumenti è indicata nella guida); 6. Verifica dell allestimento: verificare se i cavi sono collegati, se gli strumenti funzionano,.; verificare il circuito montato (quando richiesto); impostare la limitazione di corrente degli alimentatori a un livello opportuno; accendere subito gli strumenti (qualsiasi strumento per poter lavorare al massimo della sua affidabilità deve rimanere acceso per qualche minuto). verificare che le sonde dell'oscilloscopio siano compensate correttamente; 7. Esecuzione delle misure, con annotazione dei risultati; 8. Analisi critica dei risultati delle misure (punti della lista analisi obiettivi ); 9. Compilazione della relazione (vedi Stesura della relazione nel seguito); 10. Verifica, firma e consegna della relazione (è a tutti gli effetti un documento, e deve essere identificato chi ne ha la responsabilità). EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 2 of 9

3 Se la relazione contiene schemi a blocchi o elettrici, questi devono utilizzare i simboli funzionali standard per i diversi elementi circuitali. Nel caso di circuiti integrati riportare per ciascun piedino il nome all'interno e il numero all'esterno. Non riportare schemi topografici. In molti casi la sequenza di operazioni proposta per eseguire la verifica o le misure non è l'unica possibile; sono accettabili anche altre procedure, purchè permettano di conseguire gli obiettivi previsti e siano descritte e giustificate nella relazione. La serie di esperienze riportata in ciascuna delle guide è in genere sovrabbondante per il tempo a disposizione (da 2 a 4 ore, a seconda della organizzazine del modulo). Alcune verifiche vengono eseguite come dimostrazioni da parte del docente. Per ciascuna esercitazione viene indicato in aula quale è la parte effttivamente da svolgere, e in quale sequenza. Simulazione Il comportamento dei circuiti utilizzati nelle esercitazioni può essere verificato prima del montaggio utilizzando simulatori elettrici di vario tipo (ad esempio PSPICE). Questo consente di verificare la congruenza delle misure, entro i limiti dei modelli a disposizione. È disponibile, sia al LADISPE che per uso personale, la versione dimostrativa di PSPICE "Design Center v. 8" (per Windows). La guida per la seconda esercitazione di laboratorio (SelabR2) contiene il rifereimento a un manuale sintetico sull uso di PSPICE. E' opportuno che le simulazioni siano eseguita a casa o al LAIB, prima della esercitazione in laboratorio. Ai LED sono disponibili (solo per uso nel laboratorio) Matlab e Simulink. Allestimento del banco di misura All'inizio di ogni esercitazione ogni gruppo deve verificare che il materiale e gli strumenti disponibili coincidano con gli elenchi presenti sul banco e riportati nelle norme generali relative all'uso del laboratorio. Verificare se la guida indica materiale aggiuntivo specifico per l'esercitazione. Per collegare gli strumenti e la basetta di misura usare solo i cavi e altro materiale presente sul banco. Non spostare strumenti, materiale o cavi dai banchi vicini. Il banco deve essere smontato e ripulito al termine dell esperienza, collocando cavi e altro materiale nelle posizioni da cui era stato prelevato. Nel caso in cui vengano prelevate parti dal magazzino componenti, tali parti devono essere smontate al termine dell esercitazione, e i componenti devono essere rimessi nel posto da cui sono stati prelevati. Altre avvertenze relative alle dotazioni di laboratorio e all esecuzione dei montaggi (per le esercitazioni che lo richiedono) sono nel documento Uso delle basette per montaggi (Usobas). EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 3 of 9

4 Esecuzione delle misure Le misure da eseguire sono quelle necessarie per verificare il comportamento dei sistemi e dei circuiti, il soddisfacimento di alcune specifiche, e per verificare l'effetto di varianti al circuito base. Eseguire le misure secondo la sequenza indicata nelle istruzioni dell'esercitazione. Per non rischiare di danneggiare il circuito o gli strumenti collegati, evitare di applicare su qualunque nodo segnali o tensioni continue esterne all'intervallo tra le alimentazioni (massa e + 5 V per circuiti logici, solitamente + e - 15 V per circuiti analogici con amplificatori operazionali). Segnali esterni all'intervallo compreso tra la massima tensione di alimentazione positiva e la minima tensione di alimentazione negativa (massa, per i circuiti logici) possono determinare forti flussi di corrente tra morsetto e massa o alimentazione, che possono danneggiare il circuito. Sempre per questo motivo, nel caso di prove su circuiti con alimentazione, non applicare dall'esterno segnali a circuiti con elementi attivi non alimentati, e spegnere i generatori o scollegare gli ingressi esterni prima di togliere l'alimentazione. Nel collegamento di strumenti e dell alimentazione, per evitare l accumulo di cariche elettrostatiche collegare sempre per primo il conduttore di massa Se il circuito richiede una tensione di controllo variabile (ad esempio per crearsi una tensione di riferimento), conviene ricavarla con un potenziometro dalla tensione di alimentazione del circuito stesso. Questo evita il rischio di inviare al circuito tensioni che possono danneggiarlo (perchè e- sterne all'intervallo compreso tra le tensioni di alimentazione). Eventualmente usare due potenziometri di valore opportuno, collegati in modo da permettere una regolazione grossolana e una regolazione fine. Per i circuiti con alimentazione duale collegare il punto intermedio dei due alimentatori alla massa del circuito. Sono disponibili per gli oscilloscopi e altri strumenti di misura cavi diretti e sonde. Le sonde generalmente attenuano il segnale (di un fattore 10), e caricano poco il punto di misura (solitamente con 10 M e pf in parallelo). Nelle misure effettuate con l'oscilloscopio è necessario tener conto di questa attenuazione. I cavi diretti non attenuano, ma riportano totalmente sul punto di misura il carico costituito dall'ingresso dello strumento (1 M per gli oscilloscopi); nel caso di cavi coassiali aggiungono in parallelo una capacità dell'ordine di 100 pf per metro di lunghezza. Per non modificare il comportamento dei circuiti sotto misura, è preferibile usare le sonde. Gli oscilloscopi hanno l'ingresso tra un morsetto e massa (collegata alla carcassa metallica dello strumento). Questa a sua volta, per motivi di sicurezza elettrica, è collegata alla terra (attraverso il cordone di alimentazione dalla rete). Lo stesso può valere per altri strumenti, quindi i morsetti di massa di strumenti diversi possono essere collegati tra di loro attraverso la terra. EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 4 of 9

5 Di conseguenza La massa delle sonde deve essere sempre collegata alla massa del circuito; non è possibile eseguire misure differenziali usando direttamente conduttore centrale e massa di cavi diretti o sonde. La massa metterebbe in cortocircuito (a terra) il punto a cui è collegata. Nel caso degli alimentatori è opportuno verificare la situazione di ciascuna uscita: normalmente i morsetti di uscita sono fluttuanti rispetto a massa, ma negli alimentatori multipli le uscite fisse (tipicamente 5V) hanno spesso un terminale collegato alla terra. Qualunque misura è affetta da un errore, quindi i risultati devono essere riportati con un numero di cifre significative correlato a questo errore. In mancanza di altre indicazioni, si può stimare che l'errore nelle misure effettuate con oscilloscopio sia dell'ordine del 5% (del fondo scala), e quello di strumenti numerici di qualche unità sulla cifra meno significativa. I cursori degli oscilloscopi, anche se con lettura numerica della posizione, hanno tutti gli errori legati all allineamento visivo di due tracce. La valutazione dell'errore e l'indicazione esplicita della sua entità fanno parte della procedura di misura e devono essere riportati nella relazione. Salvo casi molto particolari (ad esempio medie su misure multiple eseguite in condizioni opportune), la sola elaborazione aritmetica dei risultati di una misura non ne aumenta la precisione. Ad esempio, partendo da misure fatte con un oscilloscopio (errore del 5%) non è possibile ottenere risultati con 6 cifre significative. Anche quando sono disponibili strumenti più precisi, quali multimetri e frequenzimetri digitali, conviene usare l'oscilloscopio per mantenere sotto controllo il funzionamento del circuito, per effettuare le misure per cui non è richiesta elevata precisione, e per verificare l'ordine di grandezza delle misure eseguite con altri strumenti. EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 5 of 9

6 Analisi dei malfunzionamenti Scopo delle esercitazioni è verificare sperimentalmente il comportamento di un modulo o il funzionamento di un circuito, e rendersi conto dei motivi di eventuali discrepanze rispetto a quanto atteso o determinato con i calcoli. Se i risultati delle misure non sono quelli attesi, riportare comunque nella relazione i risultati effettivi, e analizzare i motivi della non rispondenza. Evitare nel modo più assoluto di modificare il modulo, il circuito, il banco di misura, fino a raggiungere i risultati voluti. Si impara più dagli esperimenti in cui qualcosa non funziona o si commettono errori, che da quelli in cui tutto va alla perfezione. E importante rendersi conto degli eventuali errori, per poterli evitare in futuro. Ricordare che l'alterazione dei risultati di una misura è contraria a ogni procedura scientifica, e, nel caso di prove di certificazione (ad esempio per le misure di irradiazione elettromagnetica), è un reato. Solo nel caso di mancato funzionamento o di forte discordanza con i risultati delle simulazioni, seguire la procedura di analisi guasto sotto indicata: 1. verificare che il circuito sia correttamente collegato agli strumenti e, se necessario, alimentato; 2. controllare che gli strumenti siano opportunamente predisposti e funzionanti (segno e valore delle tensioni di alimentazione, scale dell'oscilloscopio, livelli, frequenza e forma d'onda dei generatori di segnale,...); 3. verificare la corrispondenza del montaggio con lo schema; 4. verificare il tipo e il valore dei componenti utilizzati (in caso di dubbi verificarli con gli strumenti opportuni); 5. controllare l'eventuale presenza di falsi contatti: i cavi possono avere interruzioni (non visibili dall'esterno), e la basetta può avere falsi contatti; verificare la presenza delle tensioni previste in punti quanto più possibili prossimi al dispositivo sotto misura (se possibile direttamente sui piedini dei circuiti integrati), 6. nel caso di circuiti complessi, separare il circuito in parti verificabili individualmente, ripetendo su ciascuna i passi sopra indicati; 7. verificare la correttezza di quanto indicato nella guida dell'esercitazione (e segnalare eventuali errori). EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 6 of 9

7 Stesura della relazione di laboratorio Di ogni esperienza deve essere redatta una relazione, che deve riportare: 1. il titolo dell'esperienza, la data, i partecipanti; 2. gli obiettivi dell esperienza. Nel caso di sviluppo di un progetto riportare anche un breve cenno sullo svolgimento del progetto stesso (metodo, approssimazioni introdotte, risultati); 3. lo schema a blocchi del sistema o lo schema elettrico del circuito (usando i simboli funzionali standard di moduli e componenti); 4. l'elenco completo dei moduli e componenti, con le specifiche dei moduli e tutte le indicazioni necessarie per identificare tipo e valore dei componenti; 5. l'indicazione delle misure previste; 6. gli strumenti utilizzati per effettuare le misure; 7. la descrizione delle misure effettuate e relativi risultati, con la valutazione degli errori; usare tabelle, grafici, istogrammi, e quanto altro necessario per chiarire o evidenziare a- spetti importanti dei risultati. Redigere l tabella dei risultati durante l'esecuzione dell'esperienza; eventuali altri grafici possono essere tracciati e aggiunti successivamente; 8. un confronto dei risultati delle misure con quanto previsto dai calcoli (tenendo conto delle tolleranze), e la spiegazione di eventuali divergenze. Non è necessario nè opportuno riportare schemi topografici del montaggio o degli integrati. Come per qualunque rapporto su attività sperimentali, la relazione deve contenere tutte le informazioni necessarie per poter ripetere l'esperienza e verificarne i risultati. Come ogni altro documento, deve contenere i dati utili per rintracciare l originale (data, autore, eventuale indice di revisione, ). La relazione deve essere completa ma sintetica, ovvero contenere solo le informazioni utili, senza ripetere quanto già indicato nel manuale. Vanno riportati solo i risultati delle misure, accennando solo molto sinteticamente all eventuale sviluppo di progetto. A titolo indicativo, la relazione di una esperimento che è durato 2-3 ore deve essere contenuta in 5-6 pagine. L uso di fotografie (montaggi, schermate di oscilloscopio, ) è ammesso, ma deve essere limitato a quanto effettivamente utile (ad esempio montaggi o forme d onda particolari). In ogni caso non possono sostituire le misure. È inutile inserire foto di segnali sinusoidali o quadri standard, o foto degli strumenti. Esperienza dimostrativa Per alcune esercitazioni è anche prevista una parte conclusiva, che non richiede misure vere e proprie, ma mette in evidenza in modo qualitativo comportamenti particolari del circuito realizzato. Talvolta richiede strumentazione aggiuntiva rispetto a quanto presente sul banco; in tal caso questa parte viene svolta dal docente su quei banchi che concludono in tempo utile la prima parte dell'esperienza. EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 7 of 9

8 Come verificare se le sonde sono tarate Collegare la sonda a un generatore di onda quadra (di solito è presente un apposito morsetto sull pannello frontale dell oscilloscopio), e verificare che i gradini in salita e in discesa siano ben squadrati (figura A). Una risposta con tratti ad andamento esponenziale indica la presenza di poli e zeri non compensati (figura B). In queste condizioni le misure eseguite con la sonda sono affette da errori; per ripristinare la taratura corretta, avvisare il personale del laboratorio (la taratura richiede attrezzi specifici). Non intervenire personalmente sulla compensazione delle sonde. Vu Vu t t Fig. A Sonda compensata correttamente Fig. B Sonda non compensata (segnale rosso e blu) Ulteriori considerazioni sul funzionamento e sull uso delle sonde (viste come un partitore compensato) sono riportate nella guida della esercitazione n. 2 (SElabR2). EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 8 of 9

9 Storia del documento DDC Adattamento da Etlis8e, Elesis8p DDC unificazione ETLC/ELAPP in Etlrel1c DDC varianti per Sistemi Elettronici DDC aggiustamenti per Sis Eln DDC revisione e link DDC rev per AA DDC seconda rev DDC rev per AA ; specifica ruoli nella relazione DDC rev per CD teledid e AA DDC revisione per ElapMis DDC specifiche su lunghezza e uso foto DDC revisione testo DDC correzioni su tempistica stesura delle relazioni Documenti collegati 2001: SelabE<n> manuali delle singole esercitazioni 2002: SelabR<n> manuali delle singole esercitazioni 2012: Elemislab<n> manuali delle singole esercitazioni EleMisLabman15e.doc - DDC - rev 26/10/ :06:00 Page 9 of 9